Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Производство пластиков. Часть 16

Дальнейшие успехи в конструкции экструзионного шнека были затем достигнуты за счет преднамеренного нарушения механизма экструзионного плавления после того, как часть полимера была расплавлена, и смешивания твердого полимера и горячего расплава. Эти новые идеи привели к дальнейшему увеличению производительности за счет снижения температуры расплава с улучшенной однородностью расплава. Сначала рассмотрим подачу полимера на шнек из бункера экструдера. Шнек на входе в экструдер представляет собой своеобразный «питательный» элемент, потому что с каждым оборотом шнека производится объем, который зависит от площади поперечного сечения лопасти шнека, площади разгрузки бункера и числа оборотов шнека. Количество полимера, захваченного в шнек, будет зависеть от насыпной плотности полимерных гранул и скорости, с которой они могут упасть в шнек, когда лопасть проходит под бункером. Когда лопасть шнека проходит под бункером, она толкает твердые гранулы вперед и захватывает их у передней кромки отверстия ствола (горловины подачи). После прохождения лопасти гранулы полимера падают в открытый канал шнека и затем выталкиваются вперед за счет лопасти шнека. Экструдеры могут быть изготовлены с круглым, прямоугольным загрузочным отверстием или тангенциальным питающим «карманом».

Эффективность заполнения шнека будет зависеть от геометрии отверстия и скорости вращения шнека. Скорость шнека устанавливает время, в течение которого полимер упадет в шнек, и пластина также может отталкивать полимер от отверстия (это называется смещение или сдвиг), снижая количество полимера, захваченного при каждом обороте шнека. В этой секции экструдера лопасти шнека подрезаны больше, чем номинальный диаметр шнека, чтобы предотвратить заклинивание твердого полимера между лопастью шнека и цилиндром, что привело бы к остановке привода. Когда гранулы полимера транспортируются в шнек, они сжимаются под действием сил подачи и в конечном итоге образуют твердую пробку, которая полностью заполняет канал шнека. В этот момент подача регулируется относительным трением полимера о винт и цилиндр, создавая крутящий момент, который толкает пробку вперед. Точно так же при более глубоком изучении механизма мы увидим, что подача оптимизируется за счет прилипания полимера к цилиндру и проскальзывания винта. Для проверки возьмите винт и гайку. Накрутив гайку на винт, представьте, что винт – это винт экструдера, а наши пальцы – ствол. Не касаясь гайки, поверните винт и мы увидим, что гайка просто вращается вместе с ним.

Поскольку шнек вращается внутри неподвижного цилиндра, по мере того, как твердое тело движется по каналу, оно вращается и совершает спиральное движение относительно цилиндра экструдера. Угол, под которым он перемещается относительно цилиндра при каждом повороте шнека, называется углом транспортировки твердых частиц. Можно смоделировать относительное движение твердой пробки в канале шнека относительно поверхности цилиндра. Зная скорость, с которой твердая пробка движется вдоль лопасти шнека в заданное время, можно рассчитать объемную скорость транспортировки твердых частиц с точки зрения геометрии шнека и угла транспортировки твердых частиц. Вывод этого был сделан исследователями Дарнеллом и Молом. Ранний анализ транспортировки твердых тел в экструдере, основанный на нескольких простых моделях, основанных на простых концепциях, таких как силы трения между полимером и металлическими поверхностями, приписывают Декеру и Майллеферу, а концепция дифференциального крутящего момента на поверхности шнека и цилиндра была создана Саймондсом. Строгость вывода была значительно улучшена Дарнеллом и Молом из компании DuPont, и их анализ цитируется чаще всего, поскольку он дает хорошее описание наблюдаемого поведения.

Модель основана на балансе сил и крутящего момента, создаваемого твердой пробкой, которая, как предполагается, полностью заполняет винтовой канал. Далее будут приведены основные допущения, использованные при выводе модели. Вот они. Под внутренним давлением полимер образует эластичную пробку. Эластичная заглушка контактирует со всеми сторонами винтового канала. Давление может быть постоянным или увеличиваться с увеличением длины канала. Коэффициент трения (COF) полимера о металлическую поверхность не зависит от давления. Радиальный зазор между лопастью и стволом ничтожен. COF одинаков для всех полимерных металлических поверхностей винта. Этот набор допущений описывает состояние поршневого течения твердого вещества в секции подачи шнека, и в следующей части мы продолжим рассмотрение этих моментов, а также приступим к описанию механизма плавления полимерного гранулята.